技術資料

排水機場における状態監視診断技術の検討
平地一典

澤口重夫

１．はじめに排水機場ポンプ設備は、洪水被害防止を目的に河川に設置された極めて重要な社会基盤施設であり、豪雨や異常出水時には確実に稼働することが要求される。
そのためには設備の万全な整備が不可欠であり、これまで管理者は、定期的に整備する「時間計画保全」の図－1

排水機場ポンプ設備（左）と減速機（右）考え方で維持管理を実施している。この手法は、確実な整備が行えるという点でメリットが大きいが、内部劣化の有無によらずに定期的に整備を行うため、経済

２．１

減速機の診断性で不利な場合がある。さらに排水機場においては、減速機は軸受や歯車で構成される機械であり、特に今後10年で約40％が設置後50年を超えることから、老軸受は精度の高い精密部品である。軸受に損傷を受け朽化の進行による故障頻度上昇の懸念がある反面、整ると、一定の回転数で回転している場合、周期的な振備予算は年々削減されている。そこで、この相反する動が発生することが分かっている。損傷箇所別による状況下で効率的で適確な設備維持管理を行うため、土周波数は次式で与えられる。

木研究所先端技術チームを中心として、常用系設備で・外輪の傷が転動体と接触する周波数導入されている「状態監視保全」を非常用設備である排水機場ポンプ設備の維持管理に導入するための研究を進めている 1)。これまで、振動、超音波、潤滑油、サーモグラフィ等による状態監視の適用について検討を実施しており、本研究では、低回転である横軸ポンプ設備減速機の状態監視診断について検討を行った。
２．減速機の診断手法の検討＝2 1−・・・（1）×

・転動体の傷が内輪又は外輪に接触する周波数=

221−×・・・（2）・内輪の傷が転動体と接触する周波数＝

21＋×・・・（3）

ここで、Z：玉数、d：ボール径、D：ピッチ径、排水機場ポンプ設備の減速機（図－1）は、故障がα：接触角、fr：軸回転数とする。

発生すると排水機場の運転ができなくなるため、「河上記でえられた周波数を基本周波数として、整数倍

川ポンプ設備点検・整備・更新検討マニュアル（案）」の高調波成分等を見ることにより軸受の診断が可能ででは致命的な設備に分類されている。これまでは、目ある2）。

視による点検や時間計画保全による取り替え等の維持管理が行われてきた。排水機場で稼働している減速機

２．２

ローター試験機における計測器の比較

は入力1000回転程度、出力120回転程度と非常に低回計測器の比較を行うため、図－2のローター試験機

転であり、加速度計による振動計測が困難な設備であを用いて軸受の異常状態を再現し、加速度、SPM、った。そこで、本研究では加速度計、SPM（ショッAEの3つの計測器で計測した。ローター試験機はインクパルスメソッド）、AE（アコースティックエミッシ

バーター制御機能によるモータ駆動で、A、B、2つのョン）の3つの計測器による計測結果の比較を行い、軸受の間におもりを着脱できるフライホイールを有す減速機の軸受の状態監視に最適な診断手法の検討を行る構造である。

った。
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計測条件は軸受Aのボールベアリングを脱脂し、金
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2018年２月

属接触の状態で10時間程度の運転を行ったのち計測した。また、試験機の軸は12mmであり、実機の1/10程度であるため、回転数を10倍した1200rpmから減速させて200rpmまで計測した。

三相モータ

軸受 B

フライホイール

軸受 A

図－2

２．３

ローター試験機

加速度計による計測結果

はじめに、図－3に示す電子応用社製の圧電式3次元

図－4加速度計で計測した。計測結果を図－4に示す。

２．４

加速度計による周波数解析結果

ＳＰＭによる計測結果

次に、同様の条件で図－5に示すSPM instrument
japan社製のSPM計測器で計測を行った。

図－3

圧電式3次元加速度計

回転数1200rpmの周波数解析では、式（3）より求めた内輪傷に起因する周波数65.1Hzに近似した63Hzとその2倍の卓越周波数が現れている。しかし回転数が減るに従い卓越周波数があまり見られなくなり、回図－5SPM計測装置

転数200rpmでは正常な軸受との違いが判断できない結果となった。

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SPMは、軸受の内外輪と転動体の接触面から生じる衝撃波（ショックパルス）を検知し、状態を診断する技術である。ショックパルスと共振しやすい周波数領域に設定した加速度センサーを用いて計測する。ショックパルスは金属の接触により起こるため、低い回転数であっても接触面が存在するとショックパルスが生じていることが分かっている3)。
回転数1200rpmから200rpmまで計測し、周波数解析した結果を図－6に示す。周波数解析の結果からは、回転数を減少させても内輪傷に起因すると思われる卓越周波数が分かる結果となった。
図－7

AEセンサー

今回の計測では、AEの発生の有無を確認することが目的であるため、計測のみ可能なAE計測システムを用いた。図－8に結果を示す。横軸は時間、縦軸はAEの実効値（RMS値）を表している。回転数1200rpm及び600rpmでは多くのAEを計測している。
更に回転数200rpmであっても正常な軸受Bと違いが分かる結果となった。ただし、台座の振動やセンサーのズレなどでも大きなノイズが発生するため、大きな騒音や振動がある排水機場では、解析する際のノイズ除去方法の検討が必要である。

図－6

２．５

SPMによる周波数解析結果

AEによる計測結果

最後は、図－7に示す簡易型のFirst AE社製AEセンサーを用いて、あらかじめ設定したしきい値を超えたAEの計測を行った。AEとは、微少破壊を始めとする材料内部の動的な変形、変態、転移、破断などにより

図－8

AE計測結果弾性波が発生する現象である4)。

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この減速機で発生したショックパルスの周波数解析

３．現場での診断事例

からは、低回転であっても特徴的な周波数成分が得ら３．１

れた。この軸受の仕様を元に得られた内輪傷に起因す

SPMによる計測結果

ローター試験機の結果を基に、北海道内の設置後40る損傷周波数の基本成分と、その2倍3倍の周波数成分

年近くが経過した排水機場において、遊星歯車減速機があることから軸受の内輪に傷がある可能性が見受けの診断を実施した。遊星歯車減速機の仕様を表－1にられ、今後の変化を注視する必要がある。ただし、計示す。

測ポイントの違いにより解析結果が変わることがあ

対象の減速機は出力側が150rpmと低い回転数となり、特に排水機場は設置場所により設備の形状が違うっており、これまでの加速度計における診断では加速ため、計測ポイントの選定方法の確立が必要である。

度の値が小さく、周波数解析に苦慮していた設備である。

３．２

同じ減速機の出力側及び入力側の軸受を、AEセン

遊星歯車減速機の仕様
Main prime mover model
Main prime mover output
Reducer typeサーで計測した結果を図－11に示す。
diesel engine
228Kw
planetary gear

Speed ratio

1/6.27

Output speed

159rpmInput speed

1000rpm

RMS(mV)表－1

AEによる計測結果

計測の様子を図－9に示す。

RMS(mV)

Time(sec)

Time(sec)

図－11減速機のAE計測結果

ローター試験機に比べ、ノイズ信号が多く、ＡＥは検出できているが、このままでは評価できないデータとなっているため、フィルタのかけ方や解析手法も検討していく必要がある。
図－9

SPMによる計測

４．まとめ
計測結果を図－10に示す。
非常に単純な構造であるローター試験機を用いて、加速度、SPM、AEの3つの計測器による計測結果の比較を行うことで、計測器それぞれの特徴を把握することができた。また、現場での減速機診断においても、加速度計が苦手とする低速回転での異常診断が、SPMでは可能であることが分かった。
今後、AEも含め様々な診断手法を組み合わせることで、非常用設備である排水機場の総合的な状態監視診断手法を検討していく予定である。
図－10
寒地土木研究所月報

減速機の周波数解析結果№777

2018年２月

253） 亀井稔：転がり軸受の稼働状態における的確評価

参考文献の実現,(社)日本プラントメンテナンス協会,第461） 中島淳一,梶田洋規,藤野健一：河川ポンプの多様な診断,土木技術資料第59巻・第8号, 20182） 豊田利夫：回転機械診断の進め方,日本プラント

回設備管理全国大会講演, 2006
4） 日本非破壊検査協会：アコースティックエミッシ
ョン試験Ⅱ, 2008

メンテナンス協会,pp.213-215, 1991

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平地 一典
HIRACHI Kazunori

澤口 重夫
SAWAGUCHI Shigeo

寒地土木研究所
技術開発調整監付寒地機械技術チーム
研究員

寒地土木研究所
技術開発調整監付寒地機械技術チーム
主任研究員

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